VALORIZAÇÃO DE RESÍDUOS DE ESPUMAS DE
POLIURETANO NO DESENVOLVIMENTO DE
PRODUTOS PARA A CONSTRUÇÃO CIVIL
ANDRÉ MOREIRA DUARTE DE FREITAS GARCIA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO APRESENTADA
À FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO EM ENGENHARIA METALURGICA E DE MATERIAIS
CANDIDATO André Moreira Duarte de Freitas Garcia Código 201006580
TÍTULO VALORIZAÇÃO DE RESÍDUOS DE ESPUMAS DE POLIURETANO NO
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS PARA A CONSTRUÇÃO CIVIL
DATA 17de julho de 2017
LOCAL Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - Sala F106 – 11h15
JÚRI Presidente Prof. Doutora Ascensão Lopes DEMM/FEUP
Arguente Prof. Doutora Joana Dias DEMM/FEUP Orientador Prof. Doutor Rúben Santos DEMM/FEUP
Resumo
O panorama atual da Indústria suscita uma intensa procura, por parte dos clientes, de produtos inovadores a preços competitivos, o que fomenta uma constante necessidade de novas soluções por parte das empresas. Aliada à exigência inovadora surge também uma crescente preocupação ambiental e, consequentemente, a inevitabilidade de se optar por materiais amigos do ambiente.
Este trabalho, desenvolvido na empresa ACC - Amorim Cork Composites, S.A., tem em conta as tendências supracitadas e advém da necessidade, por parte da empresa, de aumentar o leque de produtos existentes no seu portfólio. Atualmente são geradas grandes quantidades de resíduos de espumas flexíveis de poliuretano, que ao serem depositados em aterros contribuem negativamente para o ambiente. Na busca de um produto simultaneamente inovador e amigo do ambiente, este trabalho visou estudar a viabilidade da reciclagem de espumas flexíveis de poliuretano como matéria-prima em produtos para a construção civil. Tendo em conta as boas propriedades de isolamento acústico destes resíduos, foi definido o objetivo de produzir um underscreed, manta acústica para isolamento de ruído de percussão em laje flutuante, com a menor rigidez dinâmica possível.
Após avaliar as limitações dos processos internos para a utilização deste tipo de espumas, foi realizado um total de 28 protótipos com duas espumas flexíveis de poliuretano distintas, que posteriormente foram submetidos a ensaios mecânicos nos laboratórios da ACC. Embora, com os processos internos, se tenha verificado uma cadência de produção limitada, o produto final obtido foi capaz de cumprir o objetivo delineado, apresentando um valor de rigidez dinâmica de 5,2 MN/m3, inferior a todos os existentes no portfólio até ao momento. Foi possível concluir que, com equipamentos que permitam uma maior cadência, as espumas utilizadas juntamente com granulado de cortiça têm potencial para originarem um produto impar no mercado.
Palavras-chave
Abstract
The current panorama of Industry provokes an intense demand by the customers for innovative products at competitive prices, which generates a constant search for new solutions by the companies. In addition to the innovative requirement, there is also a growing environmental concern and, consequently, an inevitability of choosing environmentally friendly materials.
This work, developed in the company ACC – Amorim Cork Composites, S.A., takes these trends into account and comes from the need to increase the range of products in the company’s portfolio. In the search for a product that is both innovative and environmentally friendly, this work aims to study the feasibility of recycling of flexible polyurethane foam as raw material for civil construction products. Taking into account the good acoustic insulation properties of the wastes, we set goal of producing an underscreed, a resilient layer to reduce impact noise on floating slab, with the least possible dynamic stiffness.
After evaluating the limitations of the internal processes for the use of foam type polymers, a total of 28 prototypes with two different flexible polyurethane foams were made and submitted to mechanical tests in ACC laboratories. Although, with internal processes, a limited production rate was observed, the final product obtained was able to meet the goal outlined, presenting a dynamic stiffness value of 5,2 MN/m3, lower than all existing in the portfolio until the moment. It was possible to conclude that with equipment that allows a higher production rate, the foams used together with cork granulate have the potential to produce a unique product in the market.
Key words
Polyurethane flexible foams, Recycling, Underscreed, Dynamic stiffness, Insulation, Impact noise.
Agradecimentos
Em primeiro lugar, gostaria de agradecer à Amorim Cork Composites de ser parte integrante do programa Cork Potencial, permitindo-me realizar a tese em ambiental empresarial.
Agradeço ao departamento de recursos humanos da ACC, em particular á Nanci Carvalho, pela minha integração e por todo o apoio e palavras motivadoras durante o decorrer do meu estágio.
Seguidamente, gostaria de dirigir um especial agradecimento ao Engenheiro Ivo França, por toda a orientação durante o meu percurso, pela motivação, por acreditar nas minhas capacidades para atingir os objetivos definidos e sobretudo pela amizade.
Agradeço a todos os elementos com quem tive o prazer de conviver mais tempo, nomeadamente ao Engenheiro Simon Burgard, Engenheiro Thiago Oliveira e ao Alexandre Carneiro.
De salientar o meu total apreço pelo apoio dado pelo orientador da Faculdade, Professor Doutor Rúben Santos, sublinhando a disponibilidade para esclarecer todas as dúvidas que foram surgindo.
Aproveito para destacar os meus colegas estagiários que me acompanharam durante todo percurso do projeto, sendo eles, a Ana Luísa Viana, Bernardo Santos, Miguel Martins, Ricardo Maia e Rita Moutinho Neto, pela amizade, entreajuda e momentos de descontração.
Por fim, dirijo o meu maior agradecimento à minha família mais próxima, especialmente aos meus pais, aos meus irmãos, à minha madrinha e à minha avó, por me terem dado todas as condições necessárias ao meu desenvolvimento num ambiente fraterno, fazendo de mim o que sou hoje.
Índice
Resumo ... III Agradecimentos ... V Índice de Figuras ... VIII Índice de Tabelas ... XI Índice de Equações ... XII Abreviaturas e Acrónimos ... XIII
1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1. Enquadramento ... 1
1.2. O Grupo Amorim ... 1
1.2.1 A Amorim Cork Composites ... 3
1.2.1.1 Conjuntura organizacional ... 3 1.2.1.2 Conjuntura negocial ... 4 1.2.1.3 Áreas de negócio ... 5 1.3. Projeto e Objetivos ... 6 1.4. Estrutura da Dissertação ... 7 2. ESTADO DA ARTE ... 8 2.1 O Poliuretano ... 8
2.1.1 Espumas flexíveis de poliuretano ... 9
2.1.1.1 Reações químicas... 10 2.1.1.2 Processos de fabrico ... 12 2.1.1.3 Propriedades e aplicações ... 14 2.1.1.4 Reciclagem ... 15 2.2 Acústica ... 16 2.2.1 Som e Ruído ... 16 2.2.1.1 Ruído de percussão ... 17
2.2.1.2 Isolamento ao ruído de percussão ... 18
2.2.1.3 Métodos de quantificação do isolamento ao ruído de impacto 20 3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 23
3.1 Materiais ... 23
3.2 Processo de fabrico de protótipos para underscreed ... 24
3.2.1 Trituração ... 24
3.2.2 Aglomeração ... 25
3.2.3 Laminagem ... 26
3.2.4 Perfilagem ... 26
3.3 Ensaios laboratoriais ... 27
3.3.1 Ensaio de rigidez dinâmica ... 29
3.3.2 Ensaio de Compressão ... 31 3.3.3 Ensaio de Tração ... 32 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 33 4.1 Densidade ... 33 4.2 Percentagem de cola ... 36 4.3 Granulometria da espuma ... 39
4.4 Granulometria do granulado de cortiça ... 42
4.5 Percentagem de cortiça ... 45
4.6 Perfilagem ... 47
5. ANÁLISE COMPARATIVA DO PRODUTO DESENVOLVIDO COM OS EXISTENTES NO MERCADO ... 52
6. ANÁLISE DAS LIMITAÇÕES DOS PROCESSOS INTERNOS PARA O FABRICO DO PRODUTO ... 54
7. CONCLUSÕES ... 58
Índice de Figuras
Figura 1 – Distribuição em percentagem das vendas de 2016 da Corticeira
Amorim, S.G.P.S, S.A. por área geográfica ... 2
Figura 2 - Estrutura empresarial da Corticeira Amorim. ... 3
Figura 3 - Organigrama geral da ACC ... 4
Figura 4 - Evolução das vendas e do respetivo valor do EBITDA em milhões de euros ... 5
Figura 5 - Curva tensão-deformação para os diferentes tipos de espumas de poliuretano ... 10
Figura 6 - Ciclo de vida das espumas de poliuretano ... 15
Figura 7 - Propagação de ruídos aéreos (esquerda) e de ruídos de percussão (direita) em edifícios ... 17
Figura 8 - Transmissões diretas (D) e transmissões marginais (M) de ruídos .. 18
Figura 9 - (A) Underlay (B) Underscreed ... 19
Figura 10- Granulado de cortiça de 0,5-1 mm (A), 2-3 mm (B), 3-4 mm (C), 4-5 mm (D). ... 23
Figura 11- (A) Espuma X. (B). Espuma Y. ... 24
Figura 12 - Moinho de facas do laboratório da ACC. ... 25
Figura 13- (A) Misturador vertical (B) Molde. ... 26
Figura 14 - (A) Protótipo com espuma X. (B) Protótipo com espuma Y. ... 26
Figura 15 – (A) Morfologia perfilada (B) Esquema de um perfil 10 por 5 mm. 27 Figura 16 - Metodologia para execução dos ensaios laboratoriais. ... 28
Figura 17 - Esquema representativo de um ensaio de rigidez dinâmica. ... 30
Figura 18 - Equipamento utilizado no ensaio de rigidez dinâmica. ... 30
Figura 19 - Máquina QTest para ensaio de compressão. ... 31
Figura 21 – Variação da rigidez dinâmica com a densidade final do produto na espuma X e Y. ... 33 Figura 22 – Variação da tensão de rutura com a densidade final do produto na espuma X e Y. ... 34 Figura 23 - Variação da capacidade de carga com a densidade final do produto para a espuma X. ... 35 Figura 24 - Variação da capacidade de carga com a densidade final do produto para a espuma Y. ... 35 Figura 25 – Variação da rigidez dinâmica com a quantidade de cola do produto final na espuma X e Y. ... 37 Figura 26 - Variação da tensão de rutura com a quantidade de cola do produto final na espuma X e Y. ... 37 Figura 27 - Variação da capacidade de carga com a quantidade de cola do produto final para a espuma X. ... 38 Figura 28 - Variação da capacidade de carga com a quantidade de cola do produto final para a espuma Y. ... 38 Figura 29 – Variação da rigidez dinâmica com a granulometria da espuma Y. 40 Figura 30 - Variação da tensão de rutura com a granulometria da espuma Y. 41 Figura 31 - Variação da capacidade de carga com a granulometria da espuma Y. ... 41 Figura 32 – Variação da rigidez dinâmica com a granulometria do granulado de cortiça para a espuma X e Y. ... 42 Figura 33 – Variação da tensão de rutura com a granulometria do granulado de cortiça para a espuma X e Y. ... 43 Figura 34 - Variação da capacidade de carga com a granulometria do granulado de cortiça para a espuma X. ... 44 Figura 35 – Variação da capacidade de carga com a granulometria do granulado de cortiça para a espuma Y... 44
Figura 36 – Variação da rigidez dinâmica com a quantidade de granulado de cortiça para a espuma X e Y. ... 45 Figura 37 – Variação da tensão de rutura com a quantidade de granulado de cortiça para a espuma X e Y. ... 46 Figura 38 - Variação da capacidade de carga com a quantidade de granulado de cortiça para a espuma X. ... 46 Figura 39 - Variação da capacidade de carga com a quantidade de granulado de cortiça para a espuma Y. ... 47 Figura 40 – Variação da rigidez dinâmica com a morfologia e granulometria do granulado de cortiça para a espuma X. ... 48 Figura 41 – Variação da rigidez dinâmica com a morfologia e granulometria do granulado de cortiça para a espuma Y... 48 Figura 42 – Variação da rigidez dinâmica com a morfologia do produto e percentagem de granulado de cortiça para a espuma X. ... 49 Figura 43 – Variação da rigidez dinâmica com a morfologia do produto e percentagem de granulado de cortiça para a espuma Y. ... 49 Figura 44 – Variação da capacidade de carga com a morfologia do produto da espuma X, com uma percentagem de granulado de cortiça de 10%. ... 50 Figura 45 - Variação da capacidade de carga com a morfologia do produto da espuma y, com uma percentagem de granulado de cortiça de 10%. ... 50 Figura 46 - Comparação dos produtos desenvolvidos com os existentes no mercado. ... 53 Figura 47 – Trajeto percorrido pela espuma na linha de trituração da fábrica (a vermelho). (a) Alimentação, trituração e sentido ascendente até ao ciclone. (b) Sentido descendente desde o ciclone até ao big bag com as zonas críticas do processo destacadas a azul. ... 55 Figura 48 - Cilindro produzido industrialmente de espumas de poliuretano após estágio de compressão isotérmica a 100 ⁰C. ... 56 Figura 49 – Produtos conformes resultantes das etapas de laminagem (esquerda) e perfilagem (direita). ... 57
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Distribuição dos segmentos por clusters ... 6
Tabela 2 - Propriedades típicas das espumas flexíveis de poliuretano de acordo com o póliol usado ... 15
Tabela 3 - Tipos de soluções de isolamento acústico para ruído de percussão ... 19
Tabela 4 - Protótipos ensaiados com espuma X. ... 28
Tabela 5 - Protótipos ensaiados com Espuma Y. ... 29
Tabela 6 - Formulações para produto final. ... 52
Índice de Equações
Equação 1 - Reação química para obtenção de uma ligação uretânica. ... 8
Equação 2 - Reação para obtenção de um uretano. ... 11
Equação 3 – Reação para obtenção de um alofanato ... 11
Equação 4 - Reação de produção de gás para expansão do polímero ... 11
Equação 5 - Reação para a obtenção de uma ureia di-substituída. ... 12
Equação 6 - Reação para a obtenção de um biureto ... 12
Equação 7 - Equação para cálculo do índice de isolamento a ruído de percussão ... 20
Equação 8 - Relação entre módulo de elasticidade e espessura para cálculo da rigidez dinâmica ... 21
Equação 9 - Formula para determinar a rigidez dinâmica aparente por unidade de área ... 21
Abreviaturas e Acrónimos
ΔLw - Índice de redução sonora a sons de percussão
ACC – Amorim Cork Composites BD – Business Developer
CA – Corticeira Amorim
GSM – Global Segment Manager GTM – Global Technical Manager
Ln - Índice de isolamento a ruído de percussão RDE- Research & Development Engineers s’ – Rigidez dinâmica
s’t – Rigidez dinâmica aparente
1. INTRODUÇÃO
Os resíduos de espumas flexíveis de poliuretano são, na maior parte dos casos, encaminhados pelas empresas que os geram para aterros sanitários. Apesar de todos os cuidados tomados para impermeabilizar os solos, é sabido que esta solução não é de todo a mais ecológica. A ACC, de acordo com o compromisso ambiental bem vincado na empresa, identificou 4000 toneladas deste tipo de resíduos e propôs-se a estudar uma forma de minimizar o impacto dos mesmos no nosso meio ambiente, incorporando-os nos seus produtos. O potencial destes resíduos como matéria-prima reside nas boas propriedades de isolamento sonoro que possuem, adequadas à maioria dos produtos fabricados pela empresa.
1.1. Enquadramento
Esta Dissertação, realizada para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, tem como objetivo a análise da viabilidade da reutilização de espumas flexíveis de poliuretano como matéria-prima em produtos para a construção civil. Devido ao facto de a empresa nunca ter utilizado este tipo de resíduo como matéria-prima, foi feita uma análise das limitações dos processos internos, à qual se seguiu a conceção de inúmeros protótipos em laboratório para avaliar as propriedades deste material quando usado em aplicações para redução do ruído de percussão em laje flutuante (underscreed).
A motivação do presente trabalho prende-se com a possibilidade de produzir um produto inovador, reutilizando resíduos de outras empresas, com uma capacidade isoladora superior a todos os existentes até ao momento no portfólio da ACC.
1.2. O Grupo Amorim
O Grupo Amorim, com perto de 150 anos de história, é uma das maiores e mais empreendedoras multinacionais de origem portuguesa, assumindo-se como líder destacado no setor da cortiça a nível mundial. A evolução que se verificou, desde uma pequena fábrica de rolhas até ao panorama atual, está fortemente
relacionada com a internacionalização e verticalização do negócio assumida pelo grupo, desde a obtenção de matérias-primas até serviço pós-venda. A aposta em novas tecnologias e em inovação e desenvolvimento, fomentada pela globalização da economia, teve preponderância idêntica para o crescimento, sendo um forte impulso na obtenção de novas soluções para as mais variadas aplicações [1].
A Corticeira Amorim, S.G.P.S., S.A. (CA) é holding do Grupo Amorim, sediada em Mozelos e cotada na bolsa NYSE Euronext Lisbon com um capital social de 133 milhões de euros. As suas vendas no ano de 2016 atingiram um máximo histórico de 641,4 milhões de euros, o que culminou num resultado líquido de 102,7 milhões de euros correspondendo a um incremento de 86,7% face ao ano homólogo. A forte presença da empresa em mercados internacionais reflete-se na quantidade de produtos exportados, sendo que apenas 5% do total das vendas são efetuadas dentro do território nacional [1,2]. No gráfico da Figura 1 encontra-se representada a distribuição em percentagem das vendas do grupo, em 2016, para as diversas áreas geográficas.
Figura 1 – Distribuição em percentagem das vendas de 2016 da Corticeira Amorim, S.G.P.S, S.A. por área geográfica [1].
Em relação à estrutura empresarial, o Grupo está divido em cinco unidades de negócio (UNs) distintas, com gestões independentes e comissões executivas para tomar decisões em todas as matérias consideradas relevantes. Na Figura 2 está representada a estrutura empresarial da CA, que contempla uma unidade de
56% 21% 7% 6% 5% 3%2%
Vendas
Aglomerados Compósitos, onde se insere a empresa mais importante para o desenvolvimento deste documento, a Amorim Cork Composites (ACC) [1].
Figura 2 - Estrutura empresarial da Corticeira Amorim [1]. 1.2.1 A Amorim Cork Composites
A ACC conta com duas unidades industriais, 600 colaboradores e insere-se na UN Aglomerados Compósitos, a unidade mais tecnológica e mais incessante na busca de novas soluções com compósitos de cortiça no universo da CA. No caso da ACC, existe uma orientação clara para o eixo da inovação tecnológica, produto, marketing e modelo de negócio, sem descorar a parte operacional, mantendo elevados níveis de produtividade, desenvolvendo e entregando os produtos e serviços adequados às necessidades específicas de cada cliente. As matérias-primas usadas, resultantes da reutilização da cortiça excedente da indústria das rolhas ou de resíduos de outras indústrias como a borracha e o EVA, refletem claramente a politica de sustentabilidade e consciencialização ambiental do Grupo e particularmente da ACC. Os principais produtos da empresa são utilizados em edifícios para isolamento a ruídos de percussão e do seu fabrico não surgem quaisquer tipos de resíduos, visto que os que são gerados são reintroduzidos no processo e utilizados para fabricar produtos de gama inferior [1,3].
1.2.1.1 Conjuntura organizacional
Desde o ano de 2014, a ACC tem vindo a experimentar profundas alterações relativamente ao seu modelo de negócio e estrutura organizacional. A nomeação de um novo CEO com procedência externa ao Grupo, refletiu-se numa visão de negócio
Conselho de Admnistração
Comissão executiva
Matérias
diferente e num consequente reajuste de cargos e linhas de estrutura. Assistiu-se, simultaneamente, a um alargamento do número de departamentos e a uma segmentação dos mesmos, de acordo com os mercados ou tipologias de negócio [3,4]. Na Figura 3 encontra-se o organigrama geral da empresa.
Figura 3 - Organigrama geral da ACC [4]. 1.2.1.2 Conjuntura negocial
Desde 2014, a nova visão para a ACC passou pelo abandono da produção de rolhas aglomeradas, passando estas a serem produzidas pela empresa especializada neste tipo de produtos, a Amorim e Irmãos S.A., de modo a que houvesse uma maior focalização e gestão de recursos. Com esta alteração surgiu a oportunidade de integrar na empresa uma outra linha para o fabrico de produtos de cortiça com borracha, anteriormente localizada na unidade industrial de Corroios que, entretanto, foi desmantelada. Sendo assim, a empresa ficou dividida em três grandes áreas: a produção de granulados, de aglomerados de cortiça e de aglomerados de cortiça com borracha, o que permitiu uma concentração dos esforços no fabrico produtos inovadores, capazes de adicionar valor à cortiça. De acordo com essa linha de pensamento, o desvanecimento da antiga filosofia da venda de granulados, outrora bem vincada, é cada vez mais acentuado, visto que o objetivo atual passa por crescer na cadeia de valor e diversificar o negócio de modo a que o espectro de áreas e mercados abrangidos seja cada vez maior [3,4].
CEO
João Pedro Azevedo
INOVAÇÃO Eduardo Soares VENDAS FOOTWEAR Ramiro Tavares VENDAS EMEA João Pedro Azevedo USA & VENDAS NAM Bill Famiglietti GSM e BD Carlos Duarte VENDAS ASIA & ROW
Alberto Batista FINANÇAS Miguel Martins RECURSOS HUMANOS Daniel Silva MARKETING E COMUNICAÇÃO Cristina Veríssimo QUALIDADE E AMBIENTE Natália Santos
Todas as alterações a que a ACC foi sujeita durante o ano de 2014 geraram a necessidade de uma reorganização da empresa, o que se refletiu num decréscimo nas vendas superior a 14 milhões de euros face aos 98,4 milhões vendidos em 2013. Contudo, a empresa tem vindo a registar uma recuperação notável, conseguindo nos dois anos seguintes atingir os 100 milhões de euros de faturação, o que inevitavelmente confirma a eficácia das medidas tomadas e antevê um futuro próspero [1,2]. No gráfico da Figura 4 encontra-se descrita a evolução das vendas e do respetivo valor do EBITDA (lucros antes de juros, impostos, depreciação e amortização) desde 2012.
Figura 4 - Evolução das vendas e do respetivo valor do EBITDA em milhões de euros [1,2].
1.2.1.3 Áreas de negócio
A evolução do negócio da ACC contribuiu para a afirmação da empresa em novos mercados e no presente são identificadas 11 áreas de negócio distintas: indústria aeroespacial, painéis e compósitos, indústria automóvel, juntas e vedantes, indústria energética, construção, superfícies desportivas, pavimentos, bens de consumo, mobiliário e calçado. Com uma diversificação tão acentuada na gama de produtos, foi necessário reajustar a estrutura e dinâmica da empresa de forma a fornecer produtos e serviços adequados às diversas tipologias de clientes. Sendo assim, foram criados três setores principais, designados por clusters, os quais se dividem por segmentos de acordo com os produtos fornecidos [4]. Na Tabela 1 está descrita de uma forma mais detalhada a forma como a estrutura da empresa se desdobra para ir de encontro aos seus objetivos, sendo que este trabalho foi inserido no cluster da construção.
89,9 98,4 84,3 100 100,1
8,9 6,7 7,7 14,6 17
2012 2013 2014 2015 2016
Vendas e EBITDA
Tabela 1 - Distribuição dos segmentos por clusters [4].
Setor Indústria Retalho Construção
Segmentos
Painéis e compósitos Fabricantes de cortiça e
borracha com cortiça Especialistas em cortiça Fornecedores industriais Embaladores industriais Aeroespacial Artigos de lazer Calçado Mobiliário Indústria automóvel Juntas Indústria energética Distribuidores de pavimento
Retalho para especialistas em produtos de casa Mobiliário
Retalho para especialista de construção
Retalho para especialistas em produtos de casa e escritório
Produtos para casa e design
Artigos de escritório Artigos de lazer
Acessórios e bens pessoais
Construção civil Pavimentos desportivos Materiais para pavimentos Materiais de construção e acessórios
1.3. Projeto e Objetivos
O tema desta dissertação surge da necessidade da empresa aumentar o portfólio de produtos existentes, nomeadamente na área da construção, com produtos simultaneamente inovadores e amigos do ambiente.
Este projeto tem como objetivo inicial, a avaliação da capacidade dos processos internos para o fabrico de underscreeds com espumas flexíveis de poliuretano, visto ser a primeira vez que se coloca a hipótese de utilizar uma matéria-prima com densidade e rigidez tão reduzida comparativamente às usadas até ao momento. Sendo assim, a primeira tarefa focou-se na análise da capacidade de trituração das espumas.
Seguidamente, com o objetivo de avaliar a impacto dos diferentes parâmetros passíveis de variação nas formulações do produto, foram produzidos diversos protótipos em laboratório. Nestes protótipos foram usados resíduos de duas espumas flexíveis de poliuretano, provenientes de empresas distintas, e granulado de cortiça. Foi estudada a influência da granulometria da espuma, granulometria da cortiça, percentagem de cola, percentagem de cortiça, densidade e morfologia do produto nas propriedades finais, através de ensaios mecânicos de rigidez dinâmica, tração e compressão.
Finalmente, uma das formulações foi produzida industrialmente. O ensaio industrial permitiu percecionar a capacidade dos processos para aglomerar as espumas, assim como para laminar e perfilar o produto final (cilindro).
Na busca deste objetivo, foi criada uma equipa de ação constituída pelo BD, Carlos Duarte, a GSM, Dr.ª Joana Oliveira, o GTM, Eng.º Ivo França, o RDE, Eng.º Álvaro Batista e o mestrando.
1.4. Estrutura da Dissertação
Neste subcapítulo é feita uma descrição da estrutura de apresentação dos conteúdos desta dissertação. O presente capítulo visa a descrição do problema, a contextualização da empresa, descrevem-se os objetivos propostos e o método seguido no projeto.
Durante o segundo capítulo é feito o enquadramento teórico, que aborda a matéria-prima a valorizar e conceitos sobre acústica e isolamento ao ruído de percussão em edifícios.
O terceiro capítulo aborda os métodos e materiais usados para a análise dos protótipos produzidos em laboratório para a aplicação de underscreed.
Posteriormente, o quarto capítulo apresenta todos os resultados obtidos e respetiva análise.
No quinto capítulo são comparados os produtos desenvolvidos com os produtos topo de gama da concorrência.
Seguidamente, no sexto capítulo, é feita a análise à capacidade do processo de fabrico da empresa para produzir os produtos desenvolvidos.
Por fim, deixam-se algumas considerações acerca da conclusão do projeto no sétimo capítulo.
2. ESTADO DA ARTE
2.1 O Poliuretano
A sintetização das primeiras fibras de poliuretano ocorreu na Alemanha, no ano de 1937, quando o Professor Otto Bayer e os seus colegas procuravam uma alternativa viável às versáteis fibras de nylon, patenteadas pela empresa Americana E. I. DuPont [5,6].
Por definição, o termo poliuretano abrange todos os polímeros que, na sua espinha dorsal da cadeia molecular, apresentem grupos uretânicos, independentemente da composição química da restante cadeia. Sendo assim, para além de ligações uretânicas, um poliuretano pode conter hidrocarbonetos alifáticos ou aromáticos, ésteres, éteres, amidas, ureias, entre outros. A obtenção de uma ligação uretânica dá-se através da reação de um isocianato (—N=C=O) com uma hidroxila (H-O) de um póliol (álcool polifuncional), como representado na Equação 1 [5,7].
(N = C = O) + (H − O) → NHCOO
Equação 1 - Reação química para obtenção de uma ligação uretânica [5].
Apesar de estarem inevitavelmente conotadas com o termo poliuretano, as ligações uretânicas não têm necessariamente de se apresentar como o constituinte maioritário em todos os polímeros deste tipo. Na realidade, estas ligações encontram-se normalmente em minoria, sendo outros grupos a assumirem maior preponderância no que toca ao número de ligações da cadeira molecular como os éteres, as amidas, os biuretos ou alofanatos. Sendo assim, é possível identificar diferenças entre o poliuretano (copolímero) e outras famílias de homopolímeros, como poliestireno ou polietileno, na medida em que o poliuretano não é obtido exclusivamente através da polimerização de monómeros do mesmo tipo. Os diferentes grupos moleculares que podem constituir o poliuretano possibilitam a sua obtenção numa ampla gama de propriedades, o que permite criar diferentes produtos, desde espumas rígidas ou flexíveis, elastómeros, revestimentos e adesivos [5].
As propriedades finais de um poliuretano são controladas pela sua estrutura molecular, sendo o peso molecular, a rigidez da cadeia molecular, o nível de cristalinidade e o número de ligações cruzadas os principais fatores influenciadores. O peso molecular aumenta a resistência à tração, o ponto de fusão, a elasticidade e a temperatura de transição vítrea. Por sua vez, um aumento na rigidez da cadeia molecular, originado normalmente pela presença de anéis aromáticos, traduz-se numa elevação do ponto de fusão e da dureza, enquanto a elasticidade é reduzida. Contrariamente, a presença de ligações de rigidez inferior reflete-se num decréscimo na temperatura de fusão e, consequentemente, numa maior elasticidade. A cristalinidade, promovida pela linearidade das cadeias moleculares, induz reduções na elasticidade, enquanto a resistência à tração, dureza e ponto de fusão aumentam. Por fim, as ligações cruzadas, em polímeros amorfos, contribuem para o aumento da rigidez do material [5].
A notável versatilidade do poliuretano no que toca às suas propriedades viabiliza a sua utilização numa diversificada gama de aplicações para diferentes indústrias, como a automóvel, a aeroespacial, da construção e do calçado [5,6].
2.1.1 Espumas flexíveis de poliuretano
As espumas de poliuretano são estruturas microcelulares, formadas através de bolhas de gás produzidas durante a polimerização do poliuretano. Tipicamente, existem dois tipos distintos de espumas: flexíveis e rígidas. As espumas flexíveis são o tipo de espumas utilizadas neste trabalho e apresentam, de uma forma simplista, menor capacidade de carga e melhor recuperação quando comparadas com as rígidas. Na Figura 5 encontram-se sobrepostas as curvas de tensão-deformação para diferentes tipos de espumas de poliuretano, sendo percetível entre elas a diferença de resistência mecânica (1 psi ≈6,89 kPa) [5,7].
Figura 5 - Curva tensão-deformação para os diferentes tipos de espumas de poliuretano [adaptado de 5].
2.1.1.1 Reações químicas
A obtenção de espumas flexíveis de poliuretano resulta de um processo que envolve no mínimo duas reações distintas, polimerização e, sucessivamente, uma reação que resulte na produção de gás [7].
A polimerização consiste numa reação de adição, entre um isocianato e um póliol, e processa-se em duas fases como esquematizado nas Equações 2 e 3. Os isocianatos mais utilizados para a formação de espumas flexíveis de poliuretano são uma mistura de dois isómeros, num rácio de 80:20, de 2,4 e 2,6-Tolueno Diisocianato (TDI), que correspondem a compostos orgânicos de formula CH3C6H3(NCO)2. Em relação aos póliois, opta-se habitualmente por poliéteres em detrimento dos poliésteres, visto que são mais económicos, mais resistentes à hidrólise e ao ataque por parte de ácidos. Os vários tipos de poliéteres apresentam a fórmula genérica “R-(C2H5O)n-H”, onde “R” corresponde a um composto polifuncional de hidrogénios ativos e “n” ao número de moléculas de óxido de etileno que reagem [5,7].
Equação 2 - Reação para obtenção de um uretano [adaptado de 8].
Equação 3 – Reação para obtenção de um alofanato [adaptado de 8].
Na segunda fase, pode ocorrer a reação entre um uretano e o isocianato ainda existente, o que leva à formação de um alofanato. A produção do alofanato é uma reação reversível que necessita de alta temperatura para que ocorra e que pode desencadear a formação de ligações cruzadas no polímero [8].
A reação de produção de gás, ou de expansão, resulta da necessidade de expandir o polímero de modo a que este se transforme numa espuma. A forma normalmente usada para de obter bolhas de gás passa por fazer reagir o isocianato com água, para que se forme CO2, como é esquematizado na Equação 4 [7].
Equação 4 - Reação de produção de gás para expansão do polímero [adaptado de 8].
A reação do isocianato com a água gera um produto intermédio, o ácido carbâmico que, por ser instável, se decompõe numa amina e em dióxido de carbono. A obtenção e decomposição do ácido carbâmico conduzem assim à expansão do material através da difusão de bolhas gasosas, formando assim a espuma. Outra reação que pode gerar ligações cruzadas no polímero é a reação
entre a amina e um isocianato. Esta reação dá origem a uma ureia di-substituída, como esquematizado na Equação 5 [7,8].
Equação 5 - Reação para a obtenção de uma ureia di-substituída [adaptado de 8].
Finalmente, pode ocorrer outra reação com potencial para gerar ligações cruzadas, que consiste na reação entre a ureia di-substituída e um isocianato, formando assim um biureto, como esquematizado na Equação 6. Esta reação é similar à da obtenção do alofanato, na medida que também é reversível e carece de altas temperaturas para que ocorra [8].
Equação 6 - Reação para a obtenção de um biureto [adaptado de 8]. 2.1.1.2 Processos de fabrico
A produção de espumas flexíveis de poliuretano apresenta uma versatilidade considerável no que toca aos tipos de equipamentos, contudo, certos requisitos são transversais e devem ser cumpridos. A temperatura dos componentes (póliois e isocianatos) influencia a sua densidade, viscosidade e reatividade química, portanto, o controlo da sua temperatura deve ser feito cuidadosamente para que esta cumpra o intervalo compreendido entre os 23 e os 30 ⁰C. A dosagem dos componentes deve ser feita de forma a cumprir as formulações previamente estabelecidas para que não se verifiquem oscilações nas propriedades físicas. A duração da mistura dos componentes não pode ser insuficiente ou excessiva. Uma mistura insuficiente pode prejudicar as propriedades físicas e induzir fraturas na espuma, enquanto uma mistura excessiva pode danificar a estrutura celular da mesma. Por fim, a cura deve ocorrer à temperatura ambiente durante 24 horas,
para que todas as reações tenham tempo de se dar, caso contrário podem verificar-se fenómenos de encolhimento [5,7,8].
Os sistemas para obtenção de espumas flexíveis de poliuretano são normalmente de dois tipos: contínuos ou descontínuos. Nos sistemas contínuos são produzidas placas extensas, reduzindo assim os tempos de paragem, contudo, é difícil obter morfologias complexas e as perdas de material são superiores, devido à necessidade de se efetuarem etapas de maquinagem. Os sistemas descontínuos, sobretudo os por moldação, são adequados para situações nas quais se deseja obter espumas com geometrias complexas. Estes são processos menos céleres, no entanto, as perdas de material são bastante inferiores [5,7].
Os processos de fabrico contínuos permitem a produção de grandes quantidades de espumas, no entanto, requerem um grande investimento em equipamentos e um espaço razoável, tanto para o equipamento como para o armazenamento do produto. O processo começa pelo abastecimento dos componentes nos respetivos reservatórios onde a sua temperatura é estabilizada. Seguidamente, os componentes são depositados no misturador e, após a mistura, a formulação é continuamente depositada no transportador, onde se dão todos as reações inerentes à formação da espuma. Para manter um produto uniforme, a mistura líquida é depositada numa parte inferior do transportador, para que não se sobreponha à espuma já em formação. Finalmente, a espuma é cortada segundo a geometria desejada e levada para a zona de cura [5,8].
Os processos descontínuos de moldação são utilizados quando a geometria da espuma a produzir apresenta uma complexidade impossível de replicar em processos contínuos. Normalmente, os moldes são pré-aquecidos e revestidos com um agente desmoldante para facilitar a extração do produto. Seguidamente, a formulação líquida previamente misturada, é igualmente pré-aquecida e vertida no molde. Posteriormente, o molde é fechado e a espuma forma-se de acordo com a morfologia do mesmo. Após a cura e arrefecimento procede-se à remoção da espuma com a forma desejada. A influência do uso do molde é significativa no que toca as perdas de material, na medida em que no produto final se verificam perdas inferiores até 15% menos, comparativamente aos processos contínuos [5].
2.1.1.3 Propriedades e aplicações
As espumas flexíveis de poliuretano, contrariamente às rígidas, são materiais que contêm células abertas, o que permite que o ar as atrevesse. As suas propriedades podem variar principalmente com a densidade e tipo de póliol usado no seu fabrico, embora existam outros fatores menos relevantes tais como o método de produção e a quantidade de químicos auxiliares usados. A densidade, que pode variar entre 15 e 70 kg/m3, influencia especialmente o módulo de elasticidade, sendo que um aumento da mesma se reflete num aumento do módulo. Em relação ao tipo de póliol usado, são normalmente usados dois tipos: poliéteres ou poliésteres. A obtenção de uma espuma de maior resiliência e resistência à hidrólise está normalmente relacionada com o uso de um poliéter. O uso de um poliéster reflete-se geralmente numa maior resistência à tração e tem como principal vantagem a possibilidade da formulação das espumas ser manipulada de forma a que ofereça maior resistência ao fogo [5].
Independentemente do tipo de póliol usado, as espumas flexíveis de poliuretano apresentam boas propriedades de isolamento acústico e térmico, assim como boa resistência à maior parte dos solventes e detergentes. Por outro lado, a resistência a ácidos é fraca e a exposição a radiação UV leva a uma mudança na sua tonalidade. A gama de temperaturas à qual as espumas podem ser trabalhadas varia entre os 50 e os 100 ⁰C, dependendo da aplicação a que se destinam. A flexibilidade não é afetada pela temperatura até −40 ⁰C, todavia, quando são submetidas a forças compressivas a altas temperaturas podem sofrer deformação permanente [5]. Na Tabela 2 estão presentes algumas das propriedades das espumas flexíveis de poliuretano, de acordo com o póliol usado.
As espumas flexíveis de poliuretano podem ser usadas numa ampla gama de aplicações, contudo destacam-se três áreas principais: indústria do mobiliário, transportes e isolamento. Na indústria do mobiliário são aplicadas em colchões, almofadas, cadeiras e sofás. Nos transportes são usadas em almofadas dos assentos, nos painéis das portas e nos descansos dos braços. No que toca ao isolamento, podem ser usadas como camadas isoladoras, tanto em pavimento como laje flutuante. Para além das principais aplicações podem também ser usados em brinquedos, vestuário, artigos de limpeza e embalagens [5,8].
Tabela 2 - Propriedades típicas das espumas flexíveis de poliuretano de acordo com o póliol usado [5]. Propriedades Poliéster Poliéter Unidades
Densidade 16 – 60 16 – 60 kg/m3
Tensão de rotura 130 - 200 70-130 kPa Resiliência 20-35 45-65 % Resistência ao rasgo 450-500 400-450 N/m Deformação permanente após deformação de 50% 3-7 1-6 %
2.1.1.4 Reciclagem
As espumas flexíveis de poliuretano, apesar de serem consideradas polímeros termoendurecidos, são recicladas de múltiplas formas, de maneira a recuperar resíduos oriundos da sua produção, minimizar custos energéticos e reduzir a necessidade de depósitos em aterros. As estratégias para reciclar este tipo de espumas podem passar por reciclar o material mecanicamente ou quimicamente. A reciclagem mecânica foi o método que se utilizou neste trabalho para reciclar os resíduos obtidos e consiste basicamente em processos de trituração, enquanto a reciclagem por métodos químicos consiste na desintegração do polímero através de reações de hidrólise, glicólise ou pirólise [8]. Na Figura 6 encontra-se esquematizado o ciclo de vida das espumas de poliuretano.
2.2 Acústica
O ramo de física que tem como objeto de estudo a origem e propagação do som, bem como as suas inter-relações com o ser humano, denomina-se por acústica. De uma forma genérica, toda a ação mecânica com capacidade para perturbar um determinado meio (gasoso, líquido ou sólido), origina vibrações, que ao se propagarem numa determinada frequência, podem ser captadas pelo sistema auditivo e percebidas como som audível [9, 10, 11].
A acústica está cada vez mais presente no nosso quotidiano, nomeadamente na forma como as construções são idealizadas para proporcionarem conforto acústico à sociedade, ou seja, garantindo uma boa acústica para quem pretende ouvir o som e um bom isolamento para a situação oposta. No seguimento deste último objetivo tem-se vindo a verificar uma constante busca por soluções eficazes na área do isolamento, sendo que este trabalho visa continuar essa procura [9].
2.2.1 Som e Ruído
O som e/ou o ruído apenas é considerado com tal, se num determinado espaço existir um ser vivo com um sistema auditivo capaz de captá-lo. O facto de o som e o ruído induzirem sensações no cérebro, levam a que a sua interpretação seja variável de ouvinte para ouvinte e, portanto, torna-se pertinente estabelecer diferenças entre os dois termos. Embora um pouco subjetiva, a distinção assenta maioritariamente na sensação que é transmitida ao ouvinte, sendo uma sensação agradável associada ao termo som e uma sensação indesejável ao termo ruído. No entanto, pode ser feita uma distinção física, na medida em que um ruído, contrariamente a um som, pode ser relacionado com um fenómeno acústico não periódico, sem componentes harmónicos definidos [9, 10, 11].
O ruído, devido à sua conotação com sons desagradáveis, assume-se como umas das principais causas de deterioração da qualidade do ambiente urbano. O constante aumento da densidade populacional em zonas urbanas resulta numa maior proximidade entre habitações e, consequentemente, num agravamento do ruído existente. Este aumento do ruído pode originar desconforto e ser propício a conflitos entre os habitantes vizinhos, o que suscita uma constante procura por
soluções capazes de promover o isolamento acústico, sobretudo em relação aos ruídos de percussão [10, 12].
2.2.1.1 Ruído de percussão
O ruído de percussão é originado quando pessoas ou objetos produzem uma excitação mecânica em elementos de compartimentação de edifícios, podendo a sua propagação dar-se com relativa facilidade ao longo do edifico e causar incómodo, normalmente superior ao gerado por ruídos aéreos, resultantes da excitação direta do ar. Usualmente, os ruídos de percussão são derivados da locomoção humana, queda de objetos, arraste de mobiliário ou da vibração de equipamentos eletrónicos, o que leva a que a sua transmissão por ondas elásticas seja maioritariamente vertical, no sentido descendente. Na Figura 7 encontra-se esquematizado a propagação dos dois tipos de ruído supramencionados, sendo visível a capacidade do ruído de percussão para se propagar por todo o edifício, derivada do facto de este se propagar pelos elementos maciços e não pelo ar [9, 10, 13].
Figura 7 - Propagação de ruídos aéreos (esquerda) e de ruídos de percussão (direita) em edifícios [10].
O ruído de percussão, assim com o aéreo, pode apresentar duas formas de transmissão: a direta e marginal, como é evidenciado na Figura 8. A distinção entre as duas formas de transmissão resulta da forma como a propagação da energia sonora ocorre, sendo uma transmissão direta relacionada com uma propagação exclusivamente pelo elemento separador de compartimentação e uma transmissão marginal por elementos circundantes. A transmissão que contribui maioritariamente para situações de ruído incomodativas é a transmissão direta, daí ser a que deve receber especial atenção quando se pensa em soluções isoladoras.
Figura 8 - Transmissões diretas (D) e transmissões marginais (M) de ruídos [13].
Contudo, a transmissão marginal também deve ser tida em conta, particularmente no ruído de percussão [9].
2.2.1.2 Isolamento ao ruído de percussão
O ruído de percussão pode ser bastante desconfortável para moradores de apartamentos contíguos, o que leva à necessidade de recorrer a soluções que ajudem a mitigar este ruído. Normalmente, a solução utilizada para diminuir este tipo de ruídos passa por criar uma completa separação estrutural no caminho mais significativo de transmissão do mesmo (pavimento), incorporando um material resiliente. A capacidade deste tipo de materiais para transformar energia sonora incidente em térmica, diminuindo a quantidade de energia transmitida, faz com que sejam isoladores acústicos adequados particularmente para este tipo de ruídos [9].
Os materiais resilientes usados são usualmente de dois tipos distintos ou, em alguns casos, uma combinação dos dois. A distinção é feita de acordo com a sua localização. Na Figura 9 estão apresentadas as diferentes combinações. Caso a camada resiliente esteja entre a laje estrutural e o pavimento é denominada por
underlay (Figura 9A), caso esteja entre a laje estrutural e a laje flutuante é
denominada por underscreed (Figura 9B). Considerando o mesmo material para ambas as localizações, o underscreed, aplicação desenvolvida neste trabalho, revela-se mais eficaz que o underlay. Contudo, os melhores resultados são obtidos quando as duas camadas são usadas em simultâneo, originando um sistema duplo
flutuante [9]. Na Tabela 3 são esquematizados os três tipos de soluções supracitadas, enquanto na Figura 9 são apresentados exemplos das mesmas.
Figura 9 - (A) Underlay (B) Underscreed [14].
Tabela 3 - Tipos de soluções de isolamento acústico para ruído de percussão [9]. Camada
resiliente Esquema do tipo de pavimento Designação Legenda
Underlay Pavimento flutuante
Revestimento final do piso Underlay Underscreed Betonilha (Argamassa de cimento e areia) Laje estrutural (Betão)
Underscreed Laje Flutuante
Underlay e
2.2.1.3 Métodos de quantificação do isolamento ao ruído de impacto
A quantificação da transmissão do ruído de percussão, quando realizada em laboratório, é executada de acordo com o descrito na norma EN ISO 140-6:1998 e não tem em conta transmissões de ruído marginais. É utilizada uma máquina de percussão normalizada que induz excitações na laje, através da queda de altura definida de pequenos martelos, que separa o recinto emissor do recinto recetor. Simultaneamente, o índice de isolamento a ruído de percussão (Ln) é obtido através da medição do nível de pressão sonora no recinto recetor, usando a Equação 7. A variável A2 corresponde à área de absorção sonora do local recetor e é expressa em metros quadrados (m2) e “A
0” é o valor de referência da área de absorção sonora que, para salas de dimensões correntes em edifícios de habitação, corresponde a um valor de 10 m2. A parcela Lp2 é o nível médio de pressão sonora no compartimento recetor e é medido em decibéis (dB) [9, 10, 13].
Equação 7 - Equação para cálculo do índice de isolamento a ruído de percussão [13].
A eficácia da aplicação de um material resiliente, em relação à redução da transmissão do ruído, pode ser calculada posteriormente a partir da diferença entre o Ln medido antes e após a aplicação da camada, conforme previsto e descrito pela norma NP EN ISO 140-8:1997 [9]. À diferença entre os dois dá-se o nome de índice de redução sonora a sons de percussão, representado por ΔLw.
A eficácia de um material resiliente enquanto barreira acústica pode ser avaliada alternativamente através da determinação da sua rigidez dinâmica. Sendo assim, a capacidade dos materiais resilientes para atenuar os ruídos de percussão quando usados sob pavimentos flutuantes pode ser definida por rigidez dinâmica reportada à área e expressa em MN/m3. Na Equação 8 é apresentada essa correlação, correspondendo “s’” à rigidez dinâmica, “E” ao módulo de elasticidade e “d” à espessura. Os valores para a rigidez dinâmica de um material resiliente podem variar de acordo com a espessura, tipo de material, composição e morfologia, contudo, a conjugação destes fatores deve ocorrer de forma a que o material apresente um valor igual ou inferior a 10 MN/m3 para que seja
competitivo com os produtos com melhor desempenho acústico presentes no mercado [15].
Equação 8 - Relação entre módulo de elasticidade e espessura para cálculo da rigidez dinâmica [15].
O princípio pelo qual se rege a norma ISO 9052-1:1989 passa por determinar a rigidez dinâmica aparente (s’t), por unidade de área de amostra, através do método de ressonância. Este método consiste na medição da frequência fundamental de ressonância da vibração vertical do sistema, constituído pelo material resiliente e pela laje flutuante. Embora apenas se tenha determinado a rigidez dinâmica aparente neste trabalho, a rigidez dinâmica (s’) pode também ser obtida, somando ao valor da rigidez dinâmica aparente um fator (s’a) que está dependente da rigidez dinâmica do gás situado no interior dos poros do material. Na Equação 9 é apresentada a fórmula para calcular a rigidez dinâmica aparente por unidade de área, nas unidades de MN/m3. O m’t corresponde à massa total por unidade de área usada durante o ensaio e tem como unidades kg/m2, enquanto a frequência de ressonância (fr), em Hz, é obtida diretamente do equipamento de ensaio [15].
Equação 9 - Formula para determinar a rigidez dinâmica aparente por unidade de área [15].
O ensaio para obter a frequência de ressonância consiste basicamente na excitação do sistema através de um martelo de impacto sobre a placa de carga que será descrito detalhadamente no próximo capítulo [15].
É importante realçar que o underscreed deve suportar cargas, típicas de ocorrem dentro de habitações, que permitam uma manutenção adequada da rigidez dinâmica. Se a carga aplicada ao piso for superior à capacidade de carga do produto, pode ocorrer deterioração do desempenho acústico através da diminuição permanente da espessura e, consequentemente, aumento da rigidez dinâmica. De
igual forma, a resistência mecânica deve ser suficiente para garantir a integridade estrutural do aglomerado durante o fabrico, transporte e instalação.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
A componente experimental deste trabalho dividiu-se em duas componentes. Em primeiro lugar foi produzida uma série de protótipos em laboratório com o objetivo de os caracterizar mecanicamente. Seguidamente, avançou-se para a produção industrial de uma das formulações desenvolvidas de modo a avaliar a capacidade dos processos de fabrico internos na conceção deste tipo de produto.
3.1 Materiais
Os materiais utilizados para o desenvolvimento deste trabalho foram disponibilizados pela empresa Amorim Cork Composites, sendo eles o granulado de cortiça, duas espumas flexíveis de poliuretano provenientes de resíduos de duas empresas externas, e cola de poliuretano.
O granulado de cortiça foi obtido diretamente da linha de granulados da fábrica, com uma densidade entre 60 e 80 kg/m3 e com granulometrias de 0,5-1 mm, 2-3 mm, 3-4 mm e 4-5 mm. Na Figura 0,5-10 é apresentado o granulado de cortiça de acordo com as granulometrias usadas.
Figura 10- Granulado de cortiça de 0,5-1 mm (A), 2-3 mm (B), 3-4 mm (C), 4-5 mm (D).
As espumas foram fornecidas sob a forma de componentes usados na indústria automóvel, o que levou à necessidade de trituração para obter granulometrias adequadas ao processo produtivo. A espuma X, com densidade média de 40 kg/m3, foi triturada externamente, para uma granulometria de 2-4 mm, visto que o processo de trituração interno não se revela eficiente na trituração de espumas com densidade e rigidez desta ordem de grandeza. A espuma Y, com densidade média de 70 kg/m3, foi triturada internamente para
granulometrias no intervalo de 1-4 mm, 5-14 mm e 15-29 mm. Para além da densidade a única diferença entre as espumas é na cor. A espuma Y é totalmente branca e a espuma X contém grânulos vermelhos, brancos e cinzentos. Na Figura 11 são apresentados os dois tipos de espumas flexíveis de poliuretano.
Figura 11- (A) Espuma X. (B). Espuma Y.
3.2 Processo de fabrico de protótipos para underscreed
Com o objetivo de avaliar o impacto de cada uma das variáveis do processo nas propriedades do produto final, foram produzidos diversos protótipos nos laboratórios da ACC para a aplicação de underscreed. O processo de fabrico do
underscreed dividiu-se em 4 etapas: trituração, aglomeração, laminagem e
perfilagem. Seguidamente, é descrito em detalhe cada uma das etapas.
3.2.1 Trituração
A trituração é a primeira etapa, visto que existe uma grande variabilidade nas geometrias em que os resíduos são obtidos e, para sejam introduzidos no processo de fabrico, a granulometria máxima admissível é de 30 mm. A espuma X foi fornecida já triturada, numa granulometria de 2-4 mm, devido a internamente não haver capacidade para triturar espumas de densidade e rigidez tão baixa. A espuma Y, devido à sua densidade e rigidez superior, foi triturada internamente. Em primeiro lugar procedeu-se a uma trituração na linha DS da fábrica, onde se reduziu a granulometria para 15-29 mm. Numa segunda trituração foi reduzida a
granulometria da espuma para 1-4 e 5-14 mm no moinho de facas do laboratório, presente na Figura 12.
Figura 12 - Moinho de facas do laboratório da ACC.
3.2.2 Aglomeração
A fase de aglomeração tem como objetivo agregar todos os grânulos de espuma, de forma a que se obtenha um material compacto. Após definir as quantidades dos constituintes da formulação, nomeadamente da espuma, cola e granulado de cortiça (nos protótipos em que foi usado), estes são colocados num misturador (Figura 13A) de forma a promover a sua mistura, sendo depois colocada num molde (Figura 13B) e prensada com um prensa hidráulica até se atingir o nível de compactação pré-definido. A quantidade de espuma foi definida segundo a densidade pretendida para o protótipo, enquanto que a quantidade de cola variou dentro da gama usada em produtos da empresa para a mesma aplicação. O nível de compactação definido visou uma redução do volume para aproximadamente ¼ do inicial, medida através do molde, o que correspondeu a um volume final de 1,4 dm3. Seguidamente, o molde é fechado e colocado numa estufa previamente aquecida a 100 ⁰C, pelo período de 60 minutos para que se dê a solidificação da cola. No fim do estágio na estufa, o molde é retirado e é feita a desmoldagem do protótipo. Na Figura 14 são apresentados dois protótipos, produzidos com os dois tipos de espumas distintos.
Figura 13- (A) Misturador vertical (B) Molde.
Figura 14 - (A) Protótipo com espuma X. (B) Protótipo com espuma Y.
3.2.3 Laminagem
O processo de laminagem ocorreu na linha da fábrica destinada a esta etapa do processo e consiste em cortar o protótipo em folhas com uma espessura adequada à execução dos ensaios mecânicos de caracterização, de 10 e 15 mm.
3.2.4 Perfilagem
A perfilagem corres ponde à última etapa do processo de fabrico de um
underscreed e tem como objetivo conferir uma morfologia ondulada numa das
faces do protótipo através do corte por laminas. Este tipo de morfologia, apresentada na Figura 15A, é utilizada porque contribui para um decréscimo no valor de rigidez dinâmica do produto, o que se reflete num melhor isolamento ao
ruído de percussão. O grau de perfilagem é indicado a partir das espessuras máxima e mínima do produto. Por exemplo, um perfil 10 por 5 mm possui uma espessura máxima e mínima de 10 e 5mm, respetivamente, conforme ilustrado na Figura 15B.
Figura 15 – (A) Morfologia perfilada (B) Esquema de um perfil 10 por 5 mm.
3.3 Ensaios laboratoriais
Os ensaios laboratoriais foram executados seguindo uma metodologia que visou a análise individual do impacto de cada uma das variáveis que poderiam influenciar as propriedades finais do underscreed. O facto de as matérias-primas resultarem de resíduos de empresas externas, conduz inevitavelmente a uma variabilidade nas suas propriedades, o que pode comprometer a reprodutibilidade das propriedades do produto final. Sendo assim, o estudo foi definido de forma a compreender a influencia das variáveis do processo no produto final, permitindo a manipulação destas visando a obtenção de underscreeds com as propriedades desejadas. Na Figura 15 encontra-se um diagrama representativo da metodologia usada, sendo identificadas as variáveis e propriedades nas quais foi avaliada a sua influência. Os retângulos a vermelho e a azul definem duas etapas distintas do estudo. O retângulo vermelho identifica as primeiras três variáveis a serem estudadas, sendo que estas se focaram exclusivamente nas espumas flexíveis de poliuretano. Numa segunda fase, representada pelo retângulo a azul, foi estudada a forma como a adição de cortiça influencia as propriedades estudadas na etapa anterior. Estas duas etapas de estudo foram realizadas em protótipos lisos (flat) e posteriormente foi feita uma análise da influência da morfologia perfilada (profile) nos protótipos contendo granulado de cortiça.
Figura 16 - Metodologia para execução dos ensaios laboratoriais.
Os protótipos ensaiados com a espuma X e as suas respetivas formulações são apresentados na Tabela 4, enquanto os protótipos ensaiados com a Espuma Y são apresentados na Tabela 5. Previamente à produção dos protótipos definiu-se que as densidades a usar seriam de 100, 150 e 200 kg/m3, contudo, tendo em conta pequenas variabilidades do processo de fabrico de aglomerados em laboratório, foram calculadas as densidades reais. O cálculo da densidade real passou por cortar provetes de volume conhecido e proceder à sua pesagem.
Tabela 4 - Protótipos ensaiados com espuma X.
Protótipo Espuma (g) Cortiça (g) / Granulometria (mm) Cola (g) Densidade real (kg/m3)
L13 179,5(85,5%) 0 30,5 (14,5%) 147,1 L14 119,7(85,5%) 0 20,3 (14,5%) 110,2 L15 239,3(85,5%) 0 40,7 (14,5%) 202,6 L16 187,5 (89,3%) 0 22,5 (10,7%) 152,0 L17 172,1 (82,0%) 0 37,9 (18%) 152,4 L20 178,2 (81,5%) 11 / 0,5-1(5%) 29,6 (13,5%) 156,6 L21 178,2 (81,5%) 11 / 3-4 (5%) 29,6 (13,5%) 165,3 L22 178,2 (81,5%) 11 / 2-3 (5%) 29,6 (13,5%) 162,5 L23 178,2 (81,5%) 11/ 4-5 (5%) 29,6 (13,5%) 164,5 L24 178,2 (76,5%) 22 / 3-4 (10%) 29,6 (13,5%) 163,4
Tabela 5 - Protótipos ensaiados com Espuma Y.
Protótipo Granulometria (mm)Espuma (g) / Granulometria (mm)Cortiça (g) / Cola (g) Densidade real (kg/m3) L01 179,5 / 15-29 (85,5%) 0 30,5 (14,5%) 162,3 L03 119,7 / 15-29 (85,5%) 0 20,3 (14,5%) 105,2 L04 239,3 / 15-29 (85,5%) 0 40,7 (14,5%) 244,2 L06 172,1 / 1-4 (82,0%) 0 37,9 (18%) 175,9 L07 229,5 / 1-4 (82,0%) 0 50,5 (18%) 215,0 L08 250,0 / 1-4 (89,3%) 0 30,0 (10,7%) 210,8 L09 187,5 / 15-29 (89,3%) 0 22,5 (10,7%) 165,1 L12 187,5 / 5-14 (89,3%) 0 30,5 (10,7%) 178,2 L18 172,1 / 15-29 (82,0%) 0 37,9 (18%) 155,3 L19 178,2 / 15-29 (81,5%) 11 / 0,5-1 (5%) 29,6 (13,5%) 153,4 L25 178,2 / 15-29 (81,5%) 11 / 3-4 (5%) 29,6 (13,5%) 157,6 L26 178,2 / 15-29 (81,5%) 11 / 4-5 (5%) 29,6 (13,5%) 156,9 L27 178,2 / 15-29 (81,5%) 11 / 2-3 (5%) 29,6 (13,5%) 155,4 L28 170,2 / 15-29 (76,5%) 22 / 3-4 (10%) 29,6 (13,5%) 152,2
3.3.1 Ensaio de rigidez dinâmica
O ensaio de rigidez dinâmica foi executado tendo por base a norma ISO 9052-1, visto que a quantificação da atenuação sonora em laboratório pela norma EN ISO 140-8 se revela mais complexa, na medida em que são necessárias câmaras acústicas de dimensões normalizadas, a utilização de provetes de grandes dimensões (10 m2), uma lajeta flutuante de betão e 28 dias de cura do betão até à realização do ensaio [15].
De acordo com a norma ISO 9052-1, é recomendada a extração de 3 provetes de cada protótipo para que seja obtida uma média dos resultados, contudo, neste estudo apenas foi possível recolher um provete por cada protótipo, o que obrigou a realizar as 3 medições no mesmo provete. As dimensões dos provetes realizados foram definidas de acordo com a norma e, por conseguinte, foram elaborados provetes quadrangulares com áreas de 400 cm2. Embora seja recomendada a aplicação de uma camada de gesso de 5 mm sobre o provete, para colmatar eventuais irregularidades no mesmo, nos ensaios abdicou-se dessa camada e a placa de carga (chapa de aço) de aproximadamente 8 kg foi colocada diretamente
sobre o provete. Por fim, o ensaio foi realizado numa base com uma inércia suficientemente para que a velocidade de vibração da mesma fosse desprezável comparativamente à da placa de carga. Na Figura 17 encontra-se um esquema representativo do ensaio de rigidez dinâmica [15].
Figura 17 - Esquema representativo de um ensaio de rigidez dinâmica.
O ensaio de rigidez dinâmica consiste na excitação do sistema através da placa de carga, utilizando um martelo de impacto, durante um período de 20 segundos. Os batimentos devem ser de força constante, com intervalos de tempo idênticos e efetuados no centro da placa de modo a evitar vibrações marginais. As vibrações geradas no sistema pelo impacto do martelo são medidas através de um acelerómetro que é colocado no centro e, para cada impacto, a força aplicada e a aceleração do sistema são registadas. Posteriormente, a informação é analisada pelo equipamento e a acelerância do sistema (quociente da aceleração pela força) é obtida. Sendo assim, a função transferência de resposta em frequência, permite identificar a frequência para a qual ocorre ressonância do sistema. A partir da frequência de ressonância a rigidez dinâmica aparente (s’t) é deduzida, utilizando a Equação 9 apresentada no Capítulo 2. Na figura 18 encontra-se o equipamento ViRTé 3000+, da marca Larson Davis, no qual os ensaios foram realizados [15].
3.3.2 Ensaio de Compressão
A capacidade de carga dos aglomerados foi determinada a partir de ensaios de compressão, realizados tendo por base a norma ASTM F36:2003. O ensaio visou uma compressão de curta duração dos provetes e, consequentemente, uma recuperação, ambas à temperatura ambiente. Segundo a norma, a área de cada provete teria de ser superior a 6,5 cm2, portanto optou-se por uma área de 10 cm2 e morfologia quadrangular. Relativamente à espessura dos provetes foi escolhida a de 10 mm para os flat e a de 10 por 5 mm para os profile, visto que o mínimo estipulado pela norma era de 1,6 mm. Devido à disponibilidade da máquina de ensaio apenas foi possível realizar um ensaio por provete.
No que toca à execução do ensaio, esta consistiu em reduzir a espessura do provete em 50%, a uma velocidade de 4 mm/min, e verificar a carga necessária para que tal acontecesse. Esta metodologia foi adotada para que posteriormente fosse possível a comparação dos resultados dos ensaios com resultados de produtos externos. O ensaio foi executado numa máquina QTest (Figura 19), da marca MTS Systems Corporation, sendo que esta apresentava uma célula de carga de 50 kN. Os resultados foram obtidos e tratados em computador através do software MTS TestSuite TW Essential.
3.3.3 Ensaio de Tração
A resistência mecânica dos protótipos foi avaliada através de ensaios de tração, executados tendo por base a norma ASTM F152:2003 utilizada pela empresa para este tipo de ensaio. O ensaio passou por tracionar os provetes até à sua rutura, à temperatura ambiente. Foram ensaiados três provetes retangulares por protótipo, sendo que estes apresentavam 50 cm2 de área e 10 mm de espessura.
Em relação à execução do ensaio, o provete foi tracionado a uma velocidade de 4730 mm/min, de modo a que os resultados dos ensaios fossem comparados com resultados dos produtos externos, e foi obtida a tensão de rutura em kilopascal (kPa). O ensaio foi realizado num tensómetro Hounsfield (Figura 20), com uma célula de carga de 5 kN, e os resultados foram visualizados diretamente do visor da máquina.
